【基因组——天麻】天麻基因组揭露植物适应异养

Mycoheterotrophs（真菌异养型植物）：植物和真菌的共生大概开始于450百万年前。真菌异养是一种特殊的植物-真菌共生类型，植物从共生真菌获得固定碳和其他营养物质，而非光合作用。兰花最具特殊的地方是种子萌发和营养吸收依赖于真菌，例如通过于真菌形成根瘤。99%的兰花在幼年阶段从真菌伙伴获得碳营养，而成年后自养。另一小部分兰花由于缺乏achlorophyllous，是专性真菌异养。

天麻（Gastrodia elata）基因组大小为1.06Gb，是专性的真菌异养型植物，包含18，969个蛋白编码基因。很多在植物中保守的基因从天麻基因组中删除了，包括大部分参与光合作用的基因。大量基因家族扩张证明了适应真菌异养生活方式。扩张的基因家族包括糖苷水解酶，尿素酶，ATPases等。作者还发现天麻叶绿体基因组比一般植物基因组小，而天麻线粒体基因组是至今最大的一个。

天麻（兰花科）是一种传统中药，属于专性真菌异养型植物。在其生活史中，至少存在两种真菌异养，种子萌发期是Mycena（小菇属），植物生长期是Armillaria mellea（蜜环菌）。为了获取营养，它和蜜环菌生活关联起来，并在36个月的生活史中，80%的时间都是作为块茎在地下生活。天麻可以帮助我们理解真菌异养型植物的基因组特点，因此，作者组装出了天麻的参考基因组，为理解植物-真菌关联的进化基础。

测序及组装：

Kmer评估基因组为1.18Gb，基因组组装出3779条scaffold，scaffold N50为 4.9 Mb，contig N50为68.9 kb。Chloroplast genome为35,326 bp，Mitochorial genome为1,340,105 bp。Trinity组装出80,646条转录本，其中94.41%的转录本被认为是完整的（转录本的90%区域能被比对到同一条连续的scaffold上）。CEGMA评估为96.37%（239/248，保守的真核核心基因）。

TEs在基因组中占比66.18%，其中Class I (retrotransposons)和Class II (DNA transposons) TEs分别在基因组中占比55.94%和4.38%。天麻和桃红蝴蝶兰（Phalaenopsis equestris）LTR活动类似，而铁皮石斛（Dendrobium officinale）LTR呈现出最近爆发的活动。预测出天麻基因组中有18,969个蛋白编码基因，其中81.6%可被功能注释。天麻转录组分析揭示了在5个生长时期有10,548个差异表达基因，这些差异表达的基因聚成个不同的组，代表天麻的特定生长阶段。

系统发育和全基因组复制：

比较兰科植物天麻，桃红蝴蝶兰，铁皮石斛，表明它们的分歧时间约67百万年。在天麻基因组中有两个古老的全基因组复制事件（WGD event）。该事件也在桃红蝴蝶兰和铁皮石斛的基因组中发现，表明事件发生在3种兰科物种分化之前。较老的WGD在大多数单子叶植物中都存在，而最近的WGD事件可能存在于现存的兰花植物中，并可能导致兰花植物的分化。

基因组中广泛的基因丢失：

桃红蝴蝶兰，铁皮石斛分别由29,431，28,910个蛋白彪马基因，而天麻只有18,969个蛋白编码基因，是迄今为止观测到的被子植物最小的蛋白质组。与桃红蝴蝶兰，铁皮石斛相比，有功能注释的基因在天麻基因组中全局减少，同时还发现几个pfam 结构域家族在天麻基因组中显著性减小，与14个被子植物相比，天麻有最小数目的基因家族。一些基因和基因家族数量很少，表明在天麻基因组中被淘汰，并且许多其余的基因家族已经收缩。基因家族收缩分析表明与另两个兰科植物相比，天麻有3586个基因家族收缩。BUSCO分析表明195 (20.4%)个高保守的基因在天麻基因组中丢失。

假基因化和基因组重排是天麻丢失基因的原因。与桃红蝴蝶兰，铁皮石斛相比分别876， 1080个基因出现假基因化，全基因组比对发现487个基因由于局部重排而丢失。基因组中数据减少的基因是与植物抗性相关的基因。

光合作用系统退化：

天麻不进行光合作用，富集“叶绿体”，“质体“注释的基因在基因组中具有代表性的丢失

线粒体基因组扩张

天麻线粒体有430个基因家族，1532个基因。GO分析表明这些基因参与一些代谢过程。

共生微生物的管理：

探究天麻基因组中扩张的基因家族对与真菌微生物关联的影响，发现单子叶甘露聚糖结合凝集素抗真菌蛋白家族(GAFP)在天麻基因组中包含20个基因，而桃红蝴蝶兰，铁皮石斛中分卸只有3个和10个。GAFP蛋白被证明在体外抑制子囊菌和担子菌真菌植物病原体的生长。80%的GAFP 基因表现出在原球茎，年轻块茎中，这两个生长阶段是天麻与真菌建立稳定共生之前。